Vor kurzem haben Quantenphysiker/-innen der ÖAW in Wien eine neue Methode entwickelt, um die komplexen Quantenzustände von Photonen sehr viel effizienter zu messen, als dies bisher möglich war.

Quantenverschränkung

Seit einiger Zeit tüftlen Wissenschaftler weltweit an der Entwicklung einer Methode, mit der man, mittels Quantenverschränkung, Informationen schneller übertragen könnte, als jemals zuvor. Mit der Quantenverschränkung verhält es sich nämlich wie folgt:

Zwei verschränkte Quantenteilchen haben jeweils immer dieselben "Zustände". Das liegt an den Gesetzen der Quantenphysik. Zu Beginn der Untersuchung sind einem Beobachter diese Zustände nicht bekannt. Doch sobald man die Zustände eines Teilchens misst, nimmt das zweite (verschränkte) Teilchen unmittelbar(!) dieselben Zustände an.

Unmittelbar deshalb, weil wirklich keine Zeit für diesen Vorgang benötigt wird - und das unabhängig davon, wie weit die Teilchen voneinander entfernt sind! Ob die Teilchen nun durch eine Wand getrennt sind, oder in zwei verschiedenen Sonnensystemen verweilen, spielt keine Rolle. Und das ist das Sensationelle daran.

Quantenzustand

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Quantenzustände, die ein Quantenteilchen annehmen kann. Doch zuerst:

Was ist eigentlich ein Quantenteilchen?
Es gibt viele verschiedene Quantenteilchen. Einige davon kennt ihr bereits: Elektronen, Neutronen, Protonen, Photonen (Lichtteilchen) ... und so weiter. Ein Quantenteilchen ist im Endeffekt das, was man sich früher als klassische Welle beziehungsweise als klassisches Teilchen vorgestellt hat. Die Bausteine des Atomes Elektronen, Neutronen, Protonen lernt man in der Schule noch als Teilchen kennen, obwohl sie ebenfalls Eigenschaften einer Welle annehmen. Und Lichtteilchen stellte man sich in der klassischen Optik immer im Wellenmodell vor, obwohl Photonen genauso Teilcheneigenschaften besitzen. Das "richtige" Modell ist das eines Quantenteilchens, das in der Quantentheorie beschrieben wird und um einiges komplexer als ein gewöhnliches Teilchen oder eine Welle ist. Anschaulich gesprochen ist ein Quantenteilchen beides. Teilchen und Welle (Welle-Teilchen-Dualismus).

Illustration des Welle-Teilchen-Dualismus
eines Elektrons am Doppelspalt

Was ist nun ein Quantenzustand?
Der Quantenzustand eines Teilchens wird durch die "Quantenzahlen" beschrieben. Da wären zum Beispiel die Hauptquantenzahl, die Drehimpulsquantenzahl und die Spinquantenzahl als einige wichtige Exempel. Jede von ihnen hat eine mathematische Bedeutung und beschreibt entweder die Energie, den Spin oder den Gesamtdrehimpuls sowie weitere (momentane) Eigenschaften des Teilchens. Ein Teilchen kann seine Zustände natürlich auch ändern, je nach Außeneinfluss.

Nun zurück zur Quantenverschränkung:
Die Informationen der beiden verschränkten Teilchen sollen also schneller als irgendetwas sonst von einem Partnerteilchen zum nächsten übermittelt werden. Doch halt - hieß es nicht bislang, man könne die Geschwindkeit von Licht niemals übertreffen?

Albert Einstein hatte mit seiner Relativitätstheorie, die bis heute gültig ist, gezeigt, dass im Universum keine Information jemals schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übermittelt werden kann. Doch das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung ist da die Ausnahme. Zu Beginn war Einstein noch so von der Fehlerhaftigkeit der Quantentheorie überzeugt, dass er die Quantenverschränkung mit ironischem Unterton als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnete. Doch die Theorie wurde vielfach experimentell bewiesen und es ist Fakt, dass dieses Phänomen existiert.

Was hat die moderne Wissenschaft von der Untersuchung der Quantenverschränkung?

Der springende Punkt ist das unaufhaltsame Voranschreiten der Entwicklung von Quantencomputern. Mithilfe der Quantenverschränkung könnte man Informationen von einem Ort zum anderen schicken, ohne dabei Zeit zu verlieren. Die extreme Geschwindigkeit würde zu enormen Rechenleistungen der Computer führen und zum Durchbruch in der Technologiebranche. Es würde alles an Computerleistungen übertreffen, was wir bis heute kennen.

Welchen Durchbruch erzielten die Wiener Quantenphysiker/-innen?

Im Endeffekt gibt es bei der Quantenverschränkung ein großes Problem. Die Geschwindigkeit der Informationsübermittlung hält sich in Grenzen, wenn pro verschränktem Paar immer nur eine Information (also ein Quantenzustand) übertragen wird. Wesentlich schneller und effizienter wäre es, gleich mehrere verschränkte Zustände der Quantenteilchen messen und somit übertragen zu können. Doch es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Quantenzustände und noch viel mehr Messungen, die notwendig sind, um alle Zustände richtig zu bestimmen. Und dadurch erschwert sich das Ganze und wird ineffizient. Doch genau an diesem Problem haben die Forscher gearbeitet und fanden schließlich eine Möglichkeit, alle Quantenzustände eines Teilchens mit nur zwei Messungen zu ermitteln. Das heißt eine Vielzahl komplexer Messmethoden kann nun durch nur zwei Prozesse zur Bestimmung aller Zustände ersetzt werden. Diese "mehrdimensionale" Quantenverschränkung kann nun also zur Übertragung vieler Informationen mit nur einem Photon genützt werden.

Die Forscher/-innen des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) Wien der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) rund um Marcus Huber zeigten somit einen Ausweg aus einer großen Problematik bei der Entwicklung von Quantencomputern auf.

Wurde diese Theorie auch bewiesen?

Ja! Der Experimentalphysiker Mehul Malik machte im Labor des IQOQI Wien einen Versuch mit Lichtteilchen, die über ihren Drehimpuls mehrdimensional verschränkt waren. Das Experiment war erfolgreich - durch nur zwei Messungen konnte man alle Zustände der Teilchen bestimmen. ÖAW-Quantenphysikerin Jessica Bavaresco fasste zusammen: "Während man für ein derartiges Experiment zum Nachweis der hochdimensionalen Verschränkung bisher hunderte bis tausende Mess-Einstellungen brauchte, kamen wir mit gerade einmal zwei aus".

Euer Elias, @bodymindsoul

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Quellen
https://futurezone.at/science/wiener-physiker-vereinfachen-messung-von-quantenverschraenkungen/400067078
https://www.oeaw.ac.at/oesterreichische-akademie-der-wissenschaften/die-oeaw/article/wiener-forscher-finden-vollkommen-neues-konzept-zur-messung-von-quantenverschraenkung-1/
https://de.wikipedia.org/wiki/Quantenverschr%C3%A4nkung
http://www.quantenwelt.de/quantenmechanik/wellenfunktion/nichtlokalitaet.html